模塊化多電平變換器(MMC)運(yùn)行與控制若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在各種高壓變流器拓?fù)渲?，模塊化多電平變換器(Modular MultilevelConverter，MMC)有效避免了功率半導(dǎo)體器件直接串聯(lián)帶來的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，具有輸出電平數(shù)高、可四象限運(yùn)行、模塊化設(shè)計(jì)、可省掉笨重的工頻變壓器和濾波器等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于柔性直流輸電、高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電能質(zhì)量治理等需要高壓變流器的場(chǎng)合。但MMC子模塊個(gè)數(shù)眾多，內(nèi)部電容能量變化機(jī)理復(fù)雜，開關(guān)動(dòng)作機(jī)理受制于不同的均壓算法，用于并網(wǎng)時(shí)電網(wǎng)的故障也會(huì)改變內(nèi)部子模塊的工

2、作狀態(tài)，如何保證MMC在各種工況下的穩(wěn)定及優(yōu)化運(yùn)行，是各國(guó)學(xué)者對(duì)MMC進(jìn)行研究的重要方向。本文以模塊化多電平變換器MMC為研究對(duì)象，依托國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)目(2011DFA62240)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377050)，采用理論分析、軟件仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，主要在子模塊電容電壓的控制、優(yōu)化均壓算法下的開關(guān)頻率及開關(guān)損耗計(jì)算、MMC在交流電網(wǎng)不對(duì)稱故障情況下的運(yùn)行與控制等方面進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容如下:
　　由

3、于MMC采用分布式的子模塊儲(chǔ)能電容結(jié)構(gòu)，子模塊電容電壓容易受橋臂參數(shù)、控制方式等因素的影響而偏離設(shè)定值達(dá)不到理想運(yùn)行效果，對(duì)子模塊電容電壓的控制是發(fā)揮變換器性能和增加變換器穩(wěn)定性的有效途徑。論文研究了基于各次環(huán)流的子模塊電容電壓控制問題，統(tǒng)一分析了環(huán)流直流分量、環(huán)流一次分量、環(huán)流二次分量與子模塊電容電壓之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，得到了利用各次環(huán)流對(duì)上下橋臂整體電容電壓、上下橋臂不均衡電壓、子模塊電容電壓波動(dòng)進(jìn)行控制的方法。設(shè)計(jì)了基于環(huán)流直流分量的

4、上下橋臂整體電容電壓控制器和基于環(huán)流一次分量的上下橋臂電壓均衡控制器，解決了電容電壓平均值與直流側(cè)電壓獨(dú)立解耦的控制問題，保證了MMC在上下橋臂參數(shù)不一致的情況下的正常輸出。通過對(duì)橋臂輸入和輸出功率的分析，提出了基于橋臂瞬時(shí)功率平衡的電容電壓波動(dòng)抑制方法，該方法通過對(duì)橋臂注入一定的二次環(huán)流來降低子模塊電容電壓的二次波動(dòng)，減少子模塊對(duì)電容容量的依賴。通過對(duì)注入的二次環(huán)流與橋臂上的固有二次環(huán)流進(jìn)行對(duì)比分析，揭示了固有二次環(huán)流與降低子模塊電壓

5、波動(dòng)二次環(huán)流之間的本質(zhì)區(qū)別。
　　采用最近電平逼近調(diào)制的MMC具有開關(guān)頻率不固定，開關(guān)頻率存在很大的優(yōu)化空間的特點(diǎn)，雖然多種允許子模塊之間存在電壓偏差而降低開關(guān)頻率的優(yōu)化均壓算法在MMC中提出，但還缺乏對(duì)其開關(guān)頻率和開關(guān)損耗進(jìn)行計(jì)算的研究，導(dǎo)致在工程實(shí)踐中，優(yōu)化均壓算法的子模塊電壓偏差的取值和損耗計(jì)算缺少理論依據(jù)。本文以基于最大電壓偏差和基于虛擬電容電壓的兩種優(yōu)化均壓方法為基礎(chǔ)，對(duì)這兩種優(yōu)化均壓方法下的開關(guān)頻率和損耗計(jì)算進(jìn)行了深入

6、研究，提出了一種基于近似積分代替的開關(guān)頻率和損耗的定量解析計(jì)算方法，得到了兩種方法下的開關(guān)頻率和損耗的解析表達(dá)式;利用得到的解析表達(dá)式對(duì)影響開關(guān)頻率和開關(guān)損耗的各種因素進(jìn)行了分析，揭示了子模塊之間不均衡電壓、調(diào)制比、功率因數(shù)對(duì)開關(guān)頻率和開關(guān)損耗影響的規(guī)律;最后對(duì)這兩種均壓算法的性能及優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，可為工程應(yīng)用中兩種均壓算法的選擇及子模塊之間不均衡電壓的設(shè)計(jì)提供理論支撐。
　　MMC在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障下，橋臂內(nèi)部

7、環(huán)流與子模塊電容電壓波動(dòng)狀態(tài)都會(huì)隨之變化，進(jìn)而威脅MMC的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)正常情況下的橋臂環(huán)流和子模塊電容電壓模型及控制方法在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)不再適用，因此本文對(duì)MMC在不對(duì)稱電網(wǎng)故障下內(nèi)部子模塊、橋臂環(huán)流的數(shù)學(xué)模型及控制策略進(jìn)行了深入研究。以電網(wǎng)不對(duì)稱故障下變流器的兩種常見的控制策略——抑制負(fù)序電流為目標(biāo)和抑制有功功率二倍頻波動(dòng)為目標(biāo)的控制策略為基礎(chǔ)，對(duì)兩種控制策略下的橋臂環(huán)流進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，根據(jù)上下橋臂輸出電壓與直流側(cè)電壓不

8、匹配產(chǎn)生交流環(huán)流的機(jī)理，推導(dǎo)得到了橋臂環(huán)流的解析表達(dá)式，提出了基于子模塊電容電壓穩(wěn)定的橋臂環(huán)流抑制策略，該方法不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)零序環(huán)流控制器，不需要計(jì)算橋臂環(huán)流給定值，在抑制負(fù)序電流和抑制有功功率二倍頻波動(dòng)兩種控制方式下都適用。同時(shí)本文也對(duì)兩種控制策略下的子模塊電容電壓波動(dòng)按基頻波動(dòng)和二次波動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
　　最后本文對(duì)MMC進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)實(shí)驗(yàn)室搭建的單相九電平MMC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)作了詳細(xì)介紹，包括子模塊電容、橋臂電